KR20030004268A - 이득과 잡음지수가 향상된 이중경로 2단 광섬유 증폭기 - Google Patents

이득과 잡음지수가 향상된 이중경로 2단 광섬유 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 서큘레이터(circulator)와 거울(sold-coated mirror)을 이용하여 이득(gain)과 잡음지수(NF: Noise Figure)가 향상된 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier)를 구현하였다. 또한 980nm 펌프 광을 바이패스(bypass)하게 하여 잡음특성이 좋은 980nm 펌프 광을 사용하게 하였고, 증폭기의 두 번째단에 이득 평탄화용 필터(GFF: Gain-Flattening Filter)를 삽입하여 이득평탄화(gain flattening)와 이득(gain)과 잡음지수(NF) 향상을 얻었다.

Description

이득과 잡음지수가 향상된 이중경로 2단 광섬유 증폭기{Gain and noise figure improved double-pass two-stage erbium-doped fiber amplifier}
오늘날 광통신 시스템에서 광통신의 고속화를 위한 파장분할 다중화(WDM) 의 필요성이 매우 증대되고 있다. 고속 장거리 광통신의 혁신은 광섬유 증폭기(EDFA)가 개발되면서 시작되었다. 광섬유 증폭기(EDFA)는 광섬유 자체가 증폭 매질이기 때문에 삽입손실이 매우 작고 편광상태에 무관한 증폭특성을 보이기 때문에 시스템 응용 면에서 반도체 증폭기에 비하여 매우 유리하다. 광섬유 증폭기(EDFA)는 어븀 이온을 실리카 유리에 첨가(doping)하여 광섬유를 제조하고, 광으로 여기(pump)하여 어븀 이온의 에너지 준위를 여기 상태로 천이 시키면 지나가는 신호 광이 유도방출(stimulated emission)에 의하여 증폭이 발생하게 된다. 광섬유 증폭기(EDFA)의 잡음특성은 입력 단 근처에서 발생하는 자발 방출(spontaneous emission)이 입력단과 출력단으로 진행하면서 증폭되어 증폭 자발 방출(ASE: Amplified Spontaneous Emission)이라고 하는 잡음을 발생하게 된다. 광섬유 증폭기(EDFA)의 잡음지수(NF)는 증폭기 입력 단에서의 신호 대 잡음비와 출력 단에서의 신호 대 잡음비와의 비를 나타낸다. 광섬유 증폭기(EDFA)의 이득(gain)과 잡음지수(NF)는 매우 중요한 특성 중에 하나이다. 전송 시스템에서 필연적으로 발생하는 증폭 자발 방출(ASE) 잡음을 제거하는 것이 매우 중요하다. 지금까지 필터(filter)와 아이솔레이터(isolator)와 같은 다양한 소자들을 광섬유 증폭기(EDFA)의 중간 단에 삽입하여 불필요한 증폭 자발방출(ASE)을 제거하여 광섬유 증폭기(EDFA)의 이득과 잡음지수(NF)를 향상시키려는 많은 연구가 진행되고 있다. 최근에는 거울(mirror)을 광섬유 증폭기(EDFA)의 끝단에 삽입하여 증폭효율을 높이고, 서큘레이터(circulator)를 광섬유 증폭기(EDFA)의 중간 단에 삽입하여 입력 단으로 진행하는 증폭자발 방출(ASE)을 제거함으로써 잡음지수(NF) 개선한 연구(J. T. Ahn, H. K. Lee, M. Y. Jeon, D. S. Lim, D. H. Cho, and H. H. Suh, "Double-path erbium-doped fiber amplifier with enhanced noise figure characteristics," CLEO, pp. 282-283, 2000)가 있다. 그러나 이러한 구조의 광섬유 증폭기(EDFA)는 서큘레이터(circulator)가 1550nm 파장대역에서 동작하기 때문에 잡음특성이 좋은 980nm 여기(pump) 광원 대신에 1480nm 여기(pump) 광원을 사용해야 한다는 제한이 있다.
본 발명에서는 서큘레이터(circulator)와 거울(mirror)을 이용하여 이득(gain)과 잡음지수(NF)가 향상된 이중경로(double-pass) 2단 광섬유 증폭기(EDFA)를 구현하였으며, 980/1480nm 파장 분할 다중화기(WDM)를 이용하여 펌프 광을 바이패스(by-pass) 시킴으로써 980nm 펌프 광원을 사용할 수 있게 하였다. 또한, 증폭기의 두 번째 단에 삽입한 이득 평탄화용 필터(GFF)에 의한 이득 평탄화와 이득(gain)과 잡음지수(NF) 향상(improvement)을 얻었다.
광섬유 증폭기(EDFA)의 이득(gain)과 잡음지수(NF)는 매우 중요한 특성중에 하나이다. 필터(filter)와 아이솔레이터(isolator)와 같은 다양한 소자들을 광섬유 증폭기(EDFA)에 삽입하여 불필요한 증폭 자발 방출(ASE)을 제거하여 광섬유 증폭기(EDFA)의 이득과 잡음지수(NF)를 향상시킬 수 있다. 서큘레이터(circulator)와 거울(mirror)을 이용하여 약 5dB의 이득(gain)과 2dB의 잡음지수(NF)를 향상시킬 수 있는 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)는 980nm 펌프 광원을 사용할 수 없다는 제한이 있다. 본 발명은, 980/1550nm WDM을 서큘레이터(circulator)의 양쪽에 삽입하여 서큘레이터(circulator)를 지나지 못하는 980nm 펌프 광이 바이패스(bypass)하도록 하였다. 이렇게 하여 980nm 펌프 광을 사용한 이득(gain)과 잡음지수(NF)가 향상된 이중경로(double-pass) 2단 광섬유 증폭기(EDFA)를 구현할 수 있다. 또한, 이중경로 2단 광섬유 증폭기(EDFA)에서 대부분의 증폭이 이루어지는 두 번째 단의 중간에 대역 제한 필터(band-rejection filter)를 삽입하게 되면 최고 3.4dB의 이득(gain)과 0.4dB의 잡음지수(NF)가 개선되는 것을 실험적으로 확인하였다. 따라서 불규칙한 이득을 평탄화 하기 위한 이득 평탄화용 필터(GFF)를 이중경로(double-pass) 2단 광섬유 증폭기(EDFA)의 두 번째 단에 삽입하여 이득 평탄화를 하면서 동시에 이득(gain)과 잡음지수(NF)를 개선할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에서 제안한 이득(gain)과 잡음지수(NF)가 향상된 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)의 실험 구성도,
도 2는 본 발명에서 제안한 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)와 기존의 단일경로(single-pass)와 이중경로(double-pass) 광섬유 증폭기(EDFA)의 980nm 펌프 광 세기에 따른 이득(gain)과 잡음지수(NF) 스펙트럼(spectrum).
도 3은 본 발명에서 제안한 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)의 두 번째 단(second stage)에 삽입한 대역 제한 필터(band-rejection filter)의 위치에 따른 이득(gain) 향상 특성.
도 4는 본 발명에서 제안한 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)의 두 번째 단에 이득 평탄화용 필터(GFF)를 삽입하여 이득 평탄화를 하기 전과 후의 이득(gain)과 잡음지수(NF) 스펙트럼(spectrum).
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 신호(signal) 광원(source)
2 : 980nm 여기(pump) 광원(light source)
3 : 아이솔레이터(isolator)
4 : 980nm/1550nm 파장 분할 다중화기(WDM)
5 : 첫 번째 단의 어븀 첨가 광섬유(EDF)(5m)
6 : 서큘레이터(circulator)
7 : 대역 제거 필터(band-rejection filter)
8 : 두 번째 단의 어븀 첨가 광섬유(EDF)(10m)
9 : 두 번째 단의 어븀 첨가 광섬유(EDF)(10m)
10 : 거울(gold-coated mirror)
11 : 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyser)
12 : 기존의 단일경로 광섬유 증폭기의 이득(gain) 스펙트럼
13 : 기존의 이중경로 광섬유 증폭기의 이득(gain) 스펙트럼
14 : 제안된 이중경로 2단 광섬유 증폭기의 이득(gain) 스펙트럼
15 : 기존의 단일경로 광섬유 증폭기의 잡음지수(NF) 스펙트럼
16 : 기존의 이중경로 광섬유 증폭기의 잡음지수(NF) 스펙트럼
17 : 제안된 이중경로 2단 광섬유 증폭기의 잡음지수(NF) 스펙트럼
18 : 제안된 이중경로 2단 광섬유 증폭기의 두 번째 단(second stage)에 삽입한 대역 제한 필터(band-rejection filter)의 위치에 따른 이득(gain) 향상 특성
19 : 이득 평탄화 하기 전의 제안된 이중경로 2단 광섬유 증폭기의 이득(gain) 스펙트럼
20 : 이득 평탄화 한 후의 제안된 이중경로 2단 광섬유 증폭기의 이득(gain)스펙트럼
21 : 이득 평탄화 하기 전의 제안된 이중경로 2단 광섬유 증폭기의 잡음지수(NF) 스펙트럼
22 : 이득 평탄화 한 후의 제안된 이중경로 2단 광섬유 증폭기의 잡음지수(NF) 스펙트럼
이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 서큘레이터(circulator)와 거울(mirror)을 이용하여 이득(gain)과 잡음지수(NF)가 향상되고, 980/1550nm WDM을 서큘레이터(circulator)의 양단에 삽입하여 980nm 펌프 광이 바이패스(bypass)하도록 하여 980nm 펌프 광원을 사용할 수 있는 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)의 실험 구성도 이다. 먼저, FC/PC 커넥터의 끝 단면에 금을 입혀서 직접 제작한 거울(sold-coated mirror)을 어븀 첨가 광섬유(EDF)의 끝단에 스프라이싱(splicing)하여 연결하게 되면 입력 단에서 입사된 신호 광이 어븀 첨가 광섬유(EDF)를 지나면서 증폭이 되고, 다시 거울(mirror)에 의해서 반사되어 다시 한번 증폭이 이루어진다. 이와 같은 원리에 의하여 이중경로(double-pass) 광섬유 증폭기(EDFA)는 기존의 단일경로(single-pass) 구조에 비해서 어븀 첨가 광섬유(EDF)의 길이가 2배로 길어지게 되는 효과가 있고, 양쪽에서 펌프 광을 입사하는 양방향 펌핑(bidirectional pump) 효과를 얻게 된다. 따라서 동일한 길이의 어븀 첨가 광섬유(EDF)를 가진 기존의 단일경로(single-pass) 광섬유 증폭기(EDFA)에 비해서 이득(gain)이 5dB 정도 향상되는 이중경로 광섬유 증폭기(EDFA)를 만들게 된다. 그리고 어븀 첨가 광섬유(EDF)의 입력 단에서 5m 정도 위치에 서큘레이터(circulator)를 삽입하여 2단(tow-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)를 만들게 되면, 증폭은 이중경로(double-pass) 구조의 두 번째 단(second stage)에서 대부분 이루어지게 되고 증폭되어 입력 단으로 진행하는 신호 광과 증폭 자발 방출(ASE)은 서큘레이터(circulator)에 의하여 출력 단으로 빠져나가게 되므로 광섬유 증폭기(EDFA) 잡음의 원인이 되는 입력 단에서의 증폭 자발 방출(ASE)이 제거되어 기존의 이중경로(double-pass) 광섬유 증폭기(EDFA)에 비해서 이중 경로 2단 광섬유 증폭기는 2dB 정도의 잡음지수(NF)가 향상되게 된다. 또한 서큘레이터의 양단에는 980/1550nm WDM을 삽입하여 980nm 펌프 광이 서큘레이터(circulator)의 옆을 바이패스(by-pass)하도록 하여 이득(gain)과 잡음지수(NF)가 향상되고 잡음특성이 좋은 980nm 펌프 광원을 사용할 수 있게 하였다.
도 2는 본 발명에서 제안한 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)와 기존의 단일경로(single-pass)와 이중경로(double-pass) 광섬유 증폭기의 980nm 펌프 광 세기에 따른 이득(gain)과 잡음지수(NF) 스펙트럼(spectrum) 이다. 기존의 단일 경로(single-pass) 광섬유 증폭기(EDFA)는 잡음지수(NF)가, 이중경로(double-pass) 광섬유 증폭기(EDFA)는 이득(gain)이 우수한 장점이 있다. 제안된 이중경로(double-pass) 2단 광섬유 증폭기(EDFA)는 기존의 단일경로 광섬유 증폭기에 비해서 이득은 5dB 정도 향상되었고, 기존의 이중경로(double-pass) 광섬유 증폭기(EDFA)에 비해서 잡음지수(NF)는 2dB 정도 향상이 되었다.
광섬유 증폭기(EDFA)에서 이득 평탄화용 필터(GFF)는 파장에 따라서 불규칙한 이득을 평탄화 하기위한 소자(device)인데, 본 발명에서는 이중경로(double-pass) 2단 광섬유 증폭기(EDFA)의 두 번째 단에 이득 평탄화용 필터(GFF)를 삽입하여 이득 평탄화(gain flattening)와 이득(gain)과 잡음지수(NF) 향상을 동시에 얻었다. 이것은 광섬유 증폭기(EDFA)의 중간에 삽입된 필터가 불필요한 증폭 자발 방출(ASE)을 제거(rejection)하게 되면 펌핑효율이 증가하여 이득(gain)과잡음지수(NF)가 전반적으로 향상되기 때문이다. 도 3은 제안된 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)의 두 번째 단에 삽입한 대역 제한 필터(band-rejection filter)의 위치에 따른 실험적으로 측정한 이득(gain) 향상(improvement) 특성이다. 직접 제작한 마이크로밴딩(microbending) 장주기 광섬유 격자(LPFG) 필터(filter)를 이용하여 위치를 옮겨가면서 스프라이싱(splicing) 없이 위에서 누르는 힘(pressure)에 의해서 이득이 비교적 높은 1530nm 파장대역의 광을 상당부분 제거(rejection) 함으로써 발생하는 이득(gain) 향상(improvement)을 측정하였다. 필터에 의한 이득 향상은 두 번째 단의 어븀첨가 광섬유(EDF)의 40% 위치에서 60% 위치 사이가 가장 크게 나타나며 최고 3.4dB의 이득 향상을 얻을 수 있었다.
도 4는 이중 경로 2단 광섬유 증폭기(EDFA)에서 이득(gain)이 가장 크게 향상된 두 번째 단의 40% 위치에 이득 평탄화용 필터(GFF)를 삽입하여 이득 평탄화를 하기 전과 후의 이득(gain)과 잡음지수(NF) 스펙트럼(spectrum)이다. 1525nm와 1558nm의 파장대역에서 1.2dB의 평탄화를 얻었으며, 2.5dB의 이득(gain)과 0.4dB의 잡음지수(NF) 향상을 얻었다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 끝단의 거울(gold-coated mirror), 중간단의 서큘레이터(circulator)와 980/1550 WDM을 사용하여 이득(gain)과 잡음지수(NF)가 향상이 되고 980nm 펌프 광원을 사용할 수 있는 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)를 구현하였다. 그리고 두 번째 단에 이득 평탄화용 필터(GFF)를 삽입하여 1.2dB의 이득 평탄화와 2.4dB의 이득(gain)과 0.4dB의 잡음지수(NF) 향상(improvement)을 얻었다.
나아가서 본 발명에서 제안된 이득(gain)과 잡음지수(NF)가 향상된 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)는 초고속 광통신을 위해서 반드시 필요한 파장 분할 다중화(WDM) 구현에 유용하게 이용될 것이다.

Claims (2)

  1. 서큘레이터(circulator), 거울(mirror)과 980/1550nm WDM을 이용하여 이득(gain)과 잡음지수(NF)가 향상되고 980nm 펌프 광원을 사용할 수 있는 이중 경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)를 구현하는데 있어서,
    광섬유 증폭기(EDFA)의 끝단의 거울(gold-coated mirror)에 의하여 증폭된 신호 광과 증폭 자발 방출(ASE)d이 반사되어 이중으로 증폭이 이루어지게 되어 기존의 단일경로(single-pass) 광섬유 증폭기(EDFA)에 비해서 향상된 이득(5dB)을 얻는 단계,
    광섬유 증폭기(EDFA)의 중간단의 서큘레이터(circulator)에 의하여 입력단으로 진행하는 증폭 자발 방출(ASE)을 출력단으로 제거하게 되어 기존의 이중경로(double-pass) 광섬유 증폭기(EDFA)에 비해서 향상된 잡음지수(2.1dB)를 얻는 단계,
    상기 단계 후 980/1550nm WDM을 서큘레이터(circulator)의 양단에 삽입하여 980nm 펌프 광이 바이패스(bypass)하도록 하여 기존의 이중경로(double-pass) 2단 광섬유 증폭기(EDFA)가 1480nm 펌프 광만을 사용해아 하는데 비해서 잡음특성이 좋은 980nm 펌프 광원을 사용할 수 있고 이득(gain)과 잡음지수(NF)가 향상된 이중경로(double-pass) 2단(two-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)를 완성하는 단계.
  2. 이득 평탄화용 필터(GFF)를 이용하여 이득이 평탄화 되고 이득(gain)과 잡음지수(NF)가 향상된 이중경로(double-pass) 2단 광섬유 증폭기(EDFA)를 구현하는데 있어서,
    대역 제거 필터(band-rejection filter)를 이중경로(double-pass) 2단 광섬유 증폭기(EDFA)에서 대부분의 증폭이 이루어지는 두 번째 단에 삽입하여 불필요한 증폭 자발 방출(ASE)를 제거함으로써 생기는 이득(gain)과 잡음지수(NF) 향상을 측정하여 최적(optimum) 필터 위치를 찾는 단계,
    상기 단계 후 이득 평탄화용 필터(GFF)를 본 발명에서 제안된 이중경로(double-pass) 2단(tow-stage) 광섬유 증폭기(EDFA)에서 두 번째 단의 최적필터 위치(40%)에 삽입하여 이득 평탄화(1.2dB)와 이득(2.4dB)과 잡음지수(0.4dB) 향상을 동시에 얻는 단계.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100737374B1 (ko) * 2004-12-09 2007-07-09 한국전자통신연구원 이득고정형 광섬유 증폭기

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